DE2145403A1

DE2145403A1 - Device for electric arc welding with pulsed currents

Info

Publication number: DE2145403A1
Application number: DE19712145403
Authority: DE
Inventors: Theodoras Wilhelmus Leonardus Wychen Theunissen (Niederlande)
Original assignee: SMIT WELD NV
Current assignee: SMIT WELD NV
Priority date: 1970-09-11
Filing date: 1971-09-10
Publication date: 1972-03-16
Also published as: NL143452B; DE2145403B2; NL7013492A; BE772458A; FR2131210A5; GB1339145A; DE2145403C3

Description

8602-71/Sch/Ba8602-71 / Sch / Ba

BO 4835 MdRBO 4835 MdR

HoIl. PA 70.13492HoIl. PA 70.13492

AT: 11. September 1970AT: September 11, 1970

SMIT WELD N. V. Nijmegen (Niederlande)SMIT WELD N.V. Nijmegen (Netherlands)

Device for electric arc welding with

ImpulsströmenImpulse currents

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit Impulsströmen, mit einem ersten Gleichrichter, welcher der Schweißelektrode einen Huhestrom geeigneter Stärke zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück zuführt, und mit einem parallel zu dem ersten geschalteten zweiten Gleichrichter, welcher der Schweißelektrode einen den Ruhestrom übersteigenden Impulsstrom bei die Ruhespannung übersteigender Impulsspannung zuführt. Vorzugsweise bezieht sich die Erfindung auf eine Lichtbogenschweißvorrichtung mit abschmelzender Elektrode, bei welcher während der Stromimpulse ein Materialübergang stattfindet.The invention relates to a device for electric arc welding with pulsed currents, with a first rectifier, which the welding electrode a lower current more suitable Strength to maintain the arc between the electrode and the workpiece, and with one parallel to the first connected second rectifier, which the welding electrode a pulse current exceeding the quiescent current at the Rest voltage exceeding pulse voltage supplies. Preferably The invention relates to a consumable electrode arc welding apparatus in which during the current impulses a material transfer takes place.

Die Impulsfrequenz kann beispielsweise 100 bzw. 50 Hz betragen, wenn die normale Netzfrequenz in Doppel- oder Einweggleichrichtung gleichgerichtet wird. Bei Anwendung der sogenannten "blocking techniques" ist es auch möglich, niedrigere Frequenzen zu verwenden, beispielsweise 33 1/3, 25 oder 16 2/3 Hz.The pulse frequency can be 100 or 50 Hz, for example, if the normal mains frequency is in double or one-way rectification is rectified. When using the so-called "blocking techniques" it is also possible to use lower frequencies to use, for example 33 1/3, 25 or 16 2/3 Hz.

Die Parallelschaltung der Gleichrichter für Ruhestrom und Impulsstrom bringt den Vorteil, daß der Ruhestrom ebenso wie der Impulsstrom unabhängig voneinander eingestellt werden können. Jedoch hat eine derartige Parallelschaltung eine Reihe von Nachteilen hinsichtlich der Stabilität des Lichtbogens. Ein Nachteil liegt in den Schwierigkeiten hinsichtlich der Eommutation der Stromquellen nach jedem Übergang des Impulsstroices zvm Ruhestrom bei der Unterbrechung des Impuls stromes: Dieser Effekt ist als Kommutationseffekt bekannt. Die DiodenThe parallel connection of the rectifiers for quiescent current and pulsed current has the advantage that the quiescent current as well as the pulsed current can be set independently of one another. However, such a parallel connection has a number of disadvantages with regard to the stability of the arc. A disadvantage lies in the difficulties with regard to the eommutation of the current sources after each transition of the pulse flow to the quiescent current when the pulse current is interrupted: This effect is known as the commutation effect. The diodes

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der Gleichrichter für den Buhestrom sind für hohe Impulsspannungen gesperrt und werden nur leitend, wenn die Impulsspannung genügend abgesunken ist. Infolge der nicht zu umgehenden Selbstinduktivität der Transformatoren, Drosselspulen usw. ist die Arbeitsgeschwindigkeit der meisten Gleichrichterschaltungen begrenzt.the rectifiers for the Buhestrom are for high pulse voltages blocked and only conductive when the pulse voltage has dropped sufficiently. As a result of the inevitable Self-inductance of transformers, reactors, etc. is the operating speed of most rectifier circuits limited.

! Während der Kommutati ons dauer, wenn der Impuls strom am Impulsende schnell auf den Ruhestromwert übergeht, dann kann die Gegen-EMK, welche durch den Stromübergang infolge der Selbst- Ψ induktion induziert wird, so hoch sein, daß der Spannungsabfall des Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück so stark! During the Kommutati ons of time when the pulse current on the pulse tail quickly transferred to the quiescent current value, then the counter electromotive force which is induced by the current transfer as a result of self-Ψ induction, be so high that the voltage drop of the electric arc between the electrode and Workpiece so strong

erniedrigt wird, daß der Lichtbogen erlöscht.is lowered so that the arc is extinguished.

Zur Abhilfe dagegen ist in dem Artikel "The Use of Pulsed , Current to Control Metal Transfer in Welding¹» im British Welding Journal, April 1965, Seiten 159 bis 166, als Stabilisierungsmaßnahne für den Lichtbogen die Einfügung einer hochinduktiven Drossel in Reihe mit den parallel geschalteten Gleichrichtern für den Ruhestrom und den Impulsstrom angegeben worden. Dadurch wird die Kommutationsdauer verlängert, so daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Ruhestroms herabgesetzt wird und damit eine niedrigere Gegen-EMK induziert wird.To remedy this, however, in the article "The Use of Pulsed, Current to Control Metal Transfer in Welding ¹ " in the British Welding Journal, April 1965, pages 159 to 166, as a stabilization measure for the arc, the insertion of a highly inductive choke in series with the parallel switched rectifiers for the quiescent current and the pulsed current have been specified.

Einerseits soll die Selbstinduktion so hoch wie möglich sein, um eine möglichst gute Wirkung zu bringen, andererseits soll sie aber auch niedrig sein, um eine zu geringe Impulsstromstärke zu verhindern. Aus diesem Grund ist die Drosselspule so bemessen, daß ihre Selbstinduktion bei niedrigen Stromstärken (bei welchen die Kommutati on eintritt) hoch ist, andererseits aber infolge der Sättigung des Eisenkerns während der Impulse herabgesetzt ist.On the one hand, the self-induction should be as high as possible in order to bring about the best possible effect, on the other hand should but they must also be low in order to prevent the impulse current from being too low. It is for this reason that the choke coil dimensioned so that their self-induction at low currents (at which the commutation occurs) is high, on the other hand but is decreased due to the saturation of the iron core during the impulses.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung dieser erwähnten Nachteile. Sie wird bei einer Vorrichtung der vorbe-. schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vor-The object of the invention is to avoid these mentioned Disadvantage. It is in a device of the past. written type solved according to the invention in that the pre-

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richtung einen Transformator mit mindestens zwei Wicklungen aufweist, deren eine vom Impulsstrom durchflossen ist und deren andere mit der ersten verbunden und vom Ruhestrom durchflossen ist, und daß das Übersetzungsverhältnis so gewählt ist, daß von der ersten Wicklung in die zweite Wicklung während der Rückflanke ^edes Stromimpulses eine Spannung solcher Größe und Richtung induziert wird, daß die Dioden des Ruhestromgleichrichters leitend werden und Strom an die Schweißelektrode zu liefern beginnen, ehe die Impuls spannung unter die Schwell-(Zünd-)spannung der Dioden gefallen 1st.direction has a transformer with at least two windings, one of which is traversed by the pulse current and whose the other is connected to the first and the quiescent current flows through it, and that the transmission ratio is chosen so that from the first winding to the second winding during the trailing edge ^ of each current pulse a voltage of such magnitude and Direction is induced that the diodes of the quiescent current rectifier are conductive and current to the welding electrode start delivering before the pulse voltage falls below the threshold (ignition) voltage the diodes fell 1st.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:The invention is explained in more detail below with reference to the representations of an exemplary embodiment. It shows:

Fig. 1 eine Schaltung gemäß dem vorerwähnten Aufsatz,Fig. 1 shows a circuit according to the aforementioned article,

Fig. 2 den von einem Kathodenstrahloszillographen in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichneten Schweißstrom,2 shows that of a cathode ray oscillograph as a function of welding current recorded over time,

Fig. 3 eine schematische Schaltung einer Schweißvorrichtung nach der Erfindung, und3 shows a schematic circuit of a welding device according to the invention, and

Fig. 4 den von der in Fig. 3 dargestellten Schaltung gelieferten Schweißstrom.FIG. 4 shows the welding current supplied by the circuit shown in FIG. 3.

Gemäß Fig. 1 ist ein Ruhestromgleiehrichter 1 mit einem Impulsstromgleichrichter 2 parallel und an eine Schweißelektrode 3 geschaltet, welche gegenüber dem Werkstück angeordnet. Eine Drosselspule 4 ist zwischen die Gleichrichter und die Schweißelektrode geschaltet und wird von dem Gesamtschweißstrom durchflossen. 1 is a quiescent current rectifier 1 with a pulse current rectifier 2 connected in parallel and to a welding electrode 3, which is arranged opposite the workpiece. One Choke coil 4 is connected between the rectifier and the welding electrode and the total welding current flows through it.

In Fig. 2 ist der Gesamtschweißstrom ausgezogen dargestellt, während die gestrichelten Linien an der Vorder- und Rückflanke des Impulsstromes das Abfallen bzw. Ansteigen des Ruhestromes darstellen. Infolge der Drosselspule 4 ist die Abfallflanke des Impulsstromes weniger steil, so daß der Ruhestromgleich-In Fig. 2, the total welding current is shown in solid lines, while the dashed lines on the leading and trailing edges of the pulse current represent the decrease or increase of the quiescent current. As a result of the choke coil 4 is the falling edge of the impulse current is less steep, so that the quiescent current

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richter den vollen Ruhestrom weniger schnell zu liefern braucht, so daß eine verringerte Gegen-EMK durch den Ruhestrom in der Ruhestromschaltung erzeugt wird, die in den meisten Fällen ebenfalls mit einer zusätzlichen Glättungsdrossel versehen ist.Richter needs to deliver the full quiescent current less quickly, so that a reduced back EMF by the quiescent current is generated in the quiescent current circuit, which in most cases also has an additional smoothing choke is provided.

Die Rückflanke des Impulsstromes ist bei dieser bekannten Anordnung weniger steil als ohne Drosselspule, so daß sich der Nachteil einer Lichtbogeninstabilität ergibt. Diese weniger steile Stromform ist jedoch für viele Anwendungsfälle unzweckmäßig. So wird durch die Drossel die Impulswiederholfrequenz begrenzt, und die weniger steile Wellenform kann den Materialübergang bei Verwendung einer abschmelzenden Elektrode beeinträchtigen. Weiterhin begrenzt die notwendigerweise sättigbare Selbstinduktivität die Anwendungsbereiche dieser bekannten Schaltung.The trailing edge of the pulse current is in this known arrangement less steep than without a choke coil, so that there is the disadvantage of arc instability. This less however, a steep current waveform is inexpedient for many applications. This is how the pulse repetition frequency is set by the throttle limited, and the less steep waveform can affect the material transition when using a consumable electrode. Furthermore, the necessarily saturable self-inductance limits the areas of application of these known ones Circuit.

Bei der in den Ansprüchen gekennzeichneten Schaltung gemäß Fig. 3 treten diese Nachteile nicht auf. Die Schaltung läßt sich leicht so ausführen, daß sehr steile Wellenformen erhalten werden und trotzdem ein allmählicher Übergang zum Ruhestrom auftritt, ohne daß Lichtbogeninstabilitäten in Kauf zu nehmen sind. Außer dem Vorteil der weichen Kommutation können die Windungen eine solche Selbstinduktivität haben, daß sich eine korrekte Impulsform über die den Impulsstrom bestimmende Thyristoreinstellung erreichen läßt und die Anstiegsgeschwindigkeit des Thyristorstroms unterhalb des zulässigen Wertes gehalten wird.In the case of the circuit according to FIG. 3 characterized in the claims, these disadvantages do not occur. The circuit leaves easily perform to obtain very steep waveforms and still have a gradual transition to quiescent current occurs without arc instabilities to be accepted. Besides the advantage of soft commutation, you can the windings have such a self-inductance that a correct pulse shape is determined by the one that determines the pulse current Thyristor setting can be achieved and the rate of rise of the thyristor current below the permissible Value is held.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Transistor aus einer einzigen Wicklung und einem nichtsättigbaren Kern und eine Mittelanzapfung der Wicklung ist mit dem Impulsstromgleichrichter verbunden, während ein Wicklungsende mit dem Ruhestromgleichrichter und das andere Wicklungsende mit der Schweißelektrode verbunden ist. Die Selbst-In a preferred embodiment of the invention, the transistor consists of a single winding and a non-saturable one Core and a center tap of the winding is connected to the pulse current rectifier, while one end of the winding is connected to the quiescent current rectifier and the other end of the winding to the welding electrode. The self-

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induktivität der gesamten Wicklung ist in diesem Falle unabhängig von der Stromstärke und kann einen Wert zwischen etwa 200 und 400/uH haben.inductance of the entire winding is independent in this case on the current strength and can have a value between about 200 and 400 / uH.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum elektrischen lichtbogenschweißen mit Impulsströmen, bei dem mit parallel zur Schweißelektrode geschalteten getrennten Gleichrichtern für Ruhestrom und Impulsstrom alternativ ein Ruhestrom geeigneter Stärke zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens und ein Impulsstrom höherer Stärke der Schweißelektrode zugeführt werden. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß mit Hilfe einer transformatorischen Kopplung zwischen dem Ruhestromzyklus und dem ImpulsStromzyklus eine Spannung vom Impulsstrom in den Ruhestromzyklus während jedes Impulsstromabfalles mit solcher Größe und Richtung eingeführt wird, daß die Dioden des Ruhestromgleichrichters gesperrt werden, so daß sie die Stromzufuhr einleiten, ehe die Spannung der Impulsquelle unter die Zündspannung dieser Dioden gefallen ist.The invention also relates to a method for electrical arc welding with pulsed currents, with separate rectifiers connected in parallel to the welding electrode for quiescent current and pulsed current alternatively a quiescent current of suitable strength to maintain the arc and a pulse current of higher magnitude is supplied to the welding electrode. This method is characterized in that With the help of a transformer coupling between the quiescent current cycle and the pulsed current cycle, a voltage from the pulsed current is introduced into the quiescent current cycle during each pulse current drop of such magnitude and direction that the diodes of the quiescent current rectifier are blocked so that they initiate the power supply before the voltage of the pulse source has fallen below the ignition voltage of these diodes.

Im folgenden sei nun die erfindungsgemäße Schaltung im einzelnen erläutert. Bei der in 3?ig. 3 dargestellten Schaltung liefert ein Dreiphasengleichrichter den Ruhestrom. Die notwendige Schaltung wird durch Wahl der Anzapfung der Primärwicklung 5 des Dreiphasentransformators 6 eingestellt. Diese Spannung kann auch mit Hilfe einer Thyristorsteuerspannung bestimmt werden.The circuit according to the invention will now be explained in detail below. At the in 3? Ig. 3 supplies the circuit shown a three-phase rectifier reduces the quiescent current. The necessary circuit is made by selecting the tap on the primary winding 5 of the three-phase transformer 6 is set. This voltage can also be determined with the aid of a thyristor control voltage will.

Die Impuls spannung wird mit Hilfe einer Verlängerung der Spulen 7 und 8 auf dem Mittelschenkel des Transformators 6 erzeugt. Durch Triggern des Transistors 9 in einer vorbestimmten Reihenfolge lassen sich verschiedene Impulswiederholfrequenzen erreichen. Gleichzeitig ist eine Einstellung der Impuls Stromstärke mit Hilfe einer Phasenabschnittsteuerung möglich. Wenn die Impulsstromthyristoren nicht getriggert werden, dann liegt der Fall eines normalen Schweißgleichrichters vor, der bei Fehlen einer sättigbaren Drosselspule sowohl für dasThe pulse voltage is generated with the help of an extension of the coils 7 and 8 on the center leg of the transformer 6. By triggering the transistor 9 in a predetermined sequence, different pulse repetition frequencies can be set reach. At the same time, it is possible to set the pulse current strength with the help of a phase control. If the pulsed current thyristors are not triggered, then this is the case of a normal welding rectifier, which in the absence of a saturable choke coil for both the

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s ο genannte offene Lichtbogenschweißen wie auch für das Kurzschlußlichtbogenschweißen geeignet ist.s ο called open arc welding as well as for short-circuit arc welding suitable is.

Die Spannung für die Impulse wird von der Mittelanzapfung der Spule 10, welche einen Autotransformator bildet, geliefert. Der linke Anschluß dieser Spule ist mit den Thyristoren 9 für den Ruhestrom verbunden, während der rechte Anschluß mit der Schweißelektrode 11 verbunden ist. Der gemeinsame Teil der Spule zwischen dem Anschluß für die Impuls spannung und die Schweißelektrode 11 kann eine Selbstinduktivität zwischen etwa 50 und 100/uH haben.The voltage for the pulses is supplied by the center tap of the coil 10, which forms an autotransformer. The left terminal of this coil is connected to the thyristors 9 for the quiescent current, while the right terminal with the Welding electrode 11 is connected. The common part of the Coil between the terminal for the pulse voltage and the welding electrode 11 can have a self-inductance between approximately 50 and 100 / uH have.

Infolge des Fehlens der sättigbaren Spule ist es möglich mit niedrigeren Impulsspannungen zu arbeiten und demzufolge eine Impulsquelle geringerer Kapazität zu verwenden, so daß die hier beschriebene Schaltung weniger kostspielig als die anhand von Pig. 1 beschriebene Schaltung mit einer sättigbaren Drossei ist. Sie ermöglicht eine bessere Steuerung der Stromform und erlaubt eine leichtere Einstellung der Breite und Flankensteilheit der Impulse.Due to the lack of the saturable coil, it is possible to work with lower pulse voltages and consequently one To use pulse source of smaller capacity, so that the circuit described here is less expensive than the one based on by Pig. 1 is the circuit described with a saturable throttle. It enables better control of the current shape and allows easier adjustment of the width and slope of the pulses.

Die Wellenform kann gegebenenfalls durch den gemeinsamen Teil der Spule beeinflußt werden. Dieser gemeinsame Teil induziert während der Impulsabfallflanke eine Spannung in die gemeinsame Spule, deren Spannung eine solche Größe hat und so gerichtet ist, daß die Thyristoren 9 des Ruhestromgleichrichters leitend werden und so den Ruhestrom zu liefern beginnen, ehe der Impulsstrom soweit abgesunken ist, daß der Lichtbogen erlöschen würde.The waveform can optionally be influenced by the common part of the coil. This common part induces during the pulse falling edge a voltage in the common coil, the voltage of which has such a magnitude and is so directed is that the thyristors 9 of the quiescent current rectifier are conductive and so begin to deliver the quiescent current before the pulse current has dropped so far that the arc would extinguish.

Fig. 4 zeigt, daß die Thyristoren des Ruhestromgleichrichters den Strom während des ersten Teils der Rückflanke des Impulsstromes bereits zu liefern beginnen. Im Augenblick des Sperrens des Impulsstromes hat der Ruhestrom bereits einen solchen Wert erreicht, daß ein allmählicher Übergang des Impulsstromes in den Ruhestrom erfolgt, ohne daß auch nur die geringste In-Fig. 4 shows that the thyristors of the quiescent current rectifier begin to deliver the current during the first part of the trailing edge of the pulse current. At the moment of blocking of the pulse current, the quiescent current has already reached such a value that a gradual transition of the pulse current occurs in the quiescent current without even the slightest in-

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stäbilität des Lichtbogens auftreten würde. Der Wert der Selbstinduktion der Drosselspule ist für den Kommutations effekt nicht kritisch. Daher kann dieser Wert so gewählt werden, daß der Buhestromgleichriehter getrennt verwendet werden kann, beispielsweise für das sogenannte Kurzschluß-Lichtbogenschweißen, wofür ein gewisses dynamisches Verhalten der Stromquelle erforderlieh ist.stability of the arc would occur. The value of self-induction the choke coil is not critical for the commutation effect. Therefore, this value can be chosen so that the Buhestromgleichriehter can be used separately, for example for so-called short-circuit arc welding, for which a certain dynamic behavior of the power source is required is.

Die Anzapfung der in Pig. 3 dargestellten Spule ist in der Mitte der Wicklung gewählt, hauptsächlich um die Spannung im nicht gemeinsamen Spulenteil innerhalb von für die Dioden zulässigen Werten zu halten. Im allgemeinen ist die Spule hinsichtlich des maximalen Stroms, für welchen der gesamte Gleichrichter ausgelegt ist, dimensioniert, also mit anderen Worten für den gesamten Anwendungsbereich der vollständigen Schweißeinrichtung. Grundsätzlich kann der Eisenkern der Spule entfallen, man wird ihn jedoch in der Praxis im Interesse einer guten Kopplung zwischen den beiden Spulenhälften meist verwenden. Tapping into Pig. 3 coil shown is in the middle of the winding is chosen, mainly by the voltage in the non-common coil part within the permissible range for the diodes To hold values. In general, the coil is in terms of the maximum current for which the entire rectifier is designed, dimensioned, in other words for the entire range of application of the complete welding device. In principle, the iron core of the coil can be omitted, but in practice it is used in the interest of a Use a good coupling between the two reel halves in most cases.

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Claims

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-8 claims

.Device for electric arc welding with pulsed currents, with a first rectifier, which the welding electrode a quiescent current of suitable strength to maintain of the arc between the electrode and the workpiece, and with one connected in parallel to the first second rectifier, which gives the welding electrode a pulse current exceeding the quiescent current supplies pulse voltage exceeding the open-circuit voltage, characterized in that the device comprises a transformer (10) with at least two windings has, one of which is traversed by the pulse current and the other connected to the first and the quiescent current is flowed through, and that the transmission ratio is chosen so that from the first winding to the second Winding during the trailing edge of each current pulse, a voltage of such magnitude and direction is induced that the The diodes of the quiescent current rectifier become conductive and start to deliver current to the welding electrode before the Pulse voltage has fallen below the threshold (ignition) voltage of the diodes.

Device according to Claim 1, characterized in that the transformer (10) has a non-saturable core is provided.

Device according to claim 2, characterized in that the transformer (10) consists of a single winding with a center tap, which is connected to the pulse current rectifier is connected, while one end connection to the quiescent current rectifier and the other end connection is connected to the welding electrode (11).

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4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the self-inductance of the entire winding is independent of the current strength and has a value between approx. 200 and has 400 / uH.

5. Process for electric arc welding with pulsed currents, in which separate rectifiers for a quiescent current and connected in parallel to the welding electrode a pulsed current alternatively a quiescent current of sufficient strength to maintain the arc and a den Pulse current exceeding the quiescent current to the welding electrode deliver, characterized in that with the aid of a transformer coupling between the quiescent current circuit and the pulse current circuit during the trailing edge each current pulse a voltage of such amplitude and direction is induced in the quiescent current circuit that the Diodes of the quiescent current rectifier circuit become conductive and begin to deliver a current before the voltage of the Pulse current source below the threshold (ignition) voltage of the Diodes dropped.

6. The method according to claim 5, characterized in that the diodes of the quiescent current rectifier circuit in the first Half of the trailing edge of each pulse of the pulse current become conductive.

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